电化学分析仪器设计与应用

科学仪器设备是科学技术发展的基石，也是支撑我国经济社会发展和国防安全的重要手段，本书以作者实验室多年从事分析仪器研发为例，从电化学发展历史，电化学分析方法、硬件电路实现，配套软件设计等多角度阐述了自行研发的电化学工作站、扫描电化学显微镜、表面等离子体共振仪、石英晶体微天平等仪器。本书适合大专院校师生、电化学分析工作者、电化学分析仪器研发人员阅读，也可作为高等院校相关专业教师、研究生以及高年级本科生的参考书。

 

《电化学分析仪器设计与应用》共6章，主要内容包括电化学分析仪器的发展史、电化学分析基本概念和技术方法、电化学分析仪器电路原理及设计方法、电化学分析仪器应用软件设计、电化学分析仪器的微型化、电化学分析仪器联用技术。本书在介绍电化学分析仪器上重点向读者展示了电化学分析仪器与联用技术的测量原理，电化学分析仪器总体架构与软硬件设计思路，并以实验室自主研发设计并实现商品化的电化学工作站、扫描电化学显微镜、表面等离子体共振仪、石英晶体微天平为例，进行了较为详细的介绍。

本书适合电化学分析工作者、电化学分析仪器研发人员阅读，也可作为高等院校相关专业教师、研究生以及高年级本科生的参考书。

 

1  电化学分析仪器的发展历史 1

1.1  电化学的历史—理论的探索 2

1.1.1  Galvani和Volta的发现 2

1.1.2  Faraday和Nernst的理论贡献 4

1.1.3  早期电化学分析技术 6

1.2  电分析技术—仪器技术和材料学 9

1.2.1  仪器技术 9

1.2.2  电分析方法与电极材料 12

1.3  电分析技术的发展—跨界的趋势 18

1.3.1  电化学的边界 18

1.3.2  化学的边界 20

参考文献 24

2  电化学分析基本概念和技术方法 26

2.1  电化学和电化学分析的基础概念 27

2.2  电化学分析方法概述 28

2.2.1  控制电势扫描技术方法 29

2.2.2  控制电势阶跃技术方法 32

2.2.3  脉冲测量技术方法 34

2.2.4  控制电流技术 39

2.2.5  交流阻抗技术方法 40

2.2.6  针对电化学腐蚀、电池和超级电容器的技术方法 44

参考文献 47

3  电化学分析仪器电路原理及设计方法 49

3.1  运算放大器 51

3.1.1  理想运放的性质 51

3.1.2  非理想运放的性质 52

3.2  运算放大器基本电路 52

3.2.1  加法器 53

3.2.2  减法器 54

3.2.3  积分器 55

3.2.4  微分器 56

3.2.5  电压跟随器 56

3.2.6  电流-电压变换器 56

3.3  恒电位仪 57

3.3.1  基本原理 57

3.3.2  加法式恒电位仪 58

3.3.3  改进的加法式恒电位仪 59

3.3.4  压控电流源型恒电位仪 60

3.3.5  全差分型恒电位仪 61

3.3.6  双恒电位仪 62

3.4  恒电流仪 63

3.5  波形控制与数据采集 65

3.5.1  波形控制 65

3.5.2  数据采集 68

3.6  滤波器设计 71

3.6.1  低通滤波器主要技术指标 72

3.6.2  有源低通滤波器设计 73

3.6.3  滤波器设计步骤 76

3.7  IR补偿 76

3.7.1  电路原理 77

3.7.2  电阻自动测量测试 78

3.8  电化学阻抗测量及电路设计 78

3.8.1  电解池的等效电路 78

3.8.2  交流阻抗测量方法 80

参考文献 83

4  电化学分析仪器应用软件设计 85

4.1  电化学分析仪器应用软件的发展 86

4.2  电化学分析仪器的需求分析与功能设计 88

4.2.1  实验模块 90

4.2.2  数据存储 91

4.2.3  数据后处理 92

4.2.4  显示与绘图 97

4.3  电化学分析仪器应用软件的结构和设计方式 97

4.3.1  上位机与下位机通信方案 97

4.3.2  数据流——管道结构设计 98

4.3.3  面向对象结构设计与设计模式 100

4.3.4  软件产品线与DSL——基于领域定义语言的结构设计 104

参考文献 114

5  电化学分析仪器的微型化 116

5.1  电化学分析仪器的微型化趋势 117

5.2  嵌入式系统简介 118

5.2.1  嵌入式系统的含义及发展趋势 118

5.2.2  嵌入式ARM微处理器 120

5.2.3  常见的嵌入式操作系统 122

5.3  嵌入式图形用户界面设计 127

5.3.1  嵌入式图形用户界面设计简介 127

5.3.2  MiniGUI图形界面开发介绍 128

5.3.3  QT/Embedded图形界面开发介绍 128

5.3.4  μC/GUI图形界面开发介绍 129

5.4  微型化的恒电位仪电路设计 130

5.4.1  恒电位仪的结构与工作原理 130

5.4.2  恒电位仪电路的设计与简化 131

5.5  便携式检测设备电源管理系统简介 134

5.5.1  电源管理系统简介 134

5.5.2  电源管理芯片的发展趋势 135

5.6  短距离无线通信方式简介 136

5.6.1  ZigBee技术介绍 137

5.6.2  蓝牙技术介绍 138

5.6.3  Wi-Fi技术介绍 139

5.7  微型电化学检测仪器的基本原理与设计 140

5.7.1  安培式电化学仪器 141

5.7.2  电位式电化学仪器 144

5.7.3  阻抗式电化学仪器 147

5.7.4  电容式电化学仪器 153

参考文献 156

6  电化学分析仪器联用技术 159

6.1  电化学分析仪器联用技术概述 160

6.2  电化学与光谱仪器的联用 161

6.2.1  光谱电化学概述 161

6.2.2  紫外-可见吸收光谱 163

6.2.3  红外光谱 167

6.2.4  拉曼光谱 171

6.3  电化学与等离子体共振检测技术的联用 174

6.3.1  表面等离子体共振检测技术简介 174

6.3.2  电化学与表面等离子体共振检测技术联用原理 177

6.3.3  电化学与表面等离子体共振检测技术联用仪器结构 179

6.3.4  电化学与表面等离子体共振检测技术联用应用举例 182

6.4  电化学与扫描探针技术的联用 186

6.4.1  扫描探针技术简介 186

6.4.2  扫描电化学显微镜结构和工作原理 188

6.4.3  扫描电化学显微镜应用 194

6.5  电化学与石英晶体微天平的联用 198

6.5.1  石英晶体微天平技术简介 198

6.5.2  石英晶体特征 200

6.5.3  石英晶体微天平仪器简介 205

6.5.4  石英晶体微天平测量原理与仪器结构 208

6.5.5  电化学石英晶体微天平联用原理 214

6.5.6  电化学与石英晶体微天平总体结构 216

6.5.7  电化学与石英晶体微天平联用技术的应用 217

参考文献 220

索引 231

 

电子、质子是构成物质结构的基本粒子，化学反应的发生，必然涉及电子的转移或偏移，将化学变化与电的现象紧密联系起来的学科便是电化学。应用电化学的基本原理和实验技术，依据物质的电化学性质来测定物质组成及含量的分析方法称为电化学分析或电分析化学。电分析化学仪器就是用来测量和记录化学变化过程中电流、电阻、电势强度和变化的设备，它把化学过程中的现象以电势差、电流、电量、电阻等形式进行测量和表达，其特点是能够进行快速分析，仪器简单、易自动控制，灵敏度高，适合微量、痕量分析，测量范围宽，在科学发展中有着不可低估的作用。

在20世纪80年代中期以前，电化学分析的基本方法已经广泛建立，我国电化学仪器也完成电子管向晶体管的过渡，中国科学院长春应用化学研究所在60～70年代研制了示波和方波极谱仪、伏安和循环伏安仪、脉冲极谱仪，80年代研制出多功能新极谱仪，并获国家优秀新产品金龙奖。从20世纪80年代中期到90年代初期，随着电子技术的发展和微型计算机的普及，计算机控制的电化学分析仪器迅速发展，EG＆G PARC、Pine、Solartron等国际先进仪器大量进入。我国的一些大学和研究所等研究机构在此阶段也开始研究电化学仪器的计算机控制技术和数据处理技术，包括中国科学院长春应用化学研究所、武汉大学、厦门大学、中国科学技术大学、沈阳金属腐蚀与防护研究所、中国矿业大学等，对我国电化学仪器技术的早期开拓探索作出了贡献。江苏电分析仪器厂与中国科学技术大学合作推出我国自行研制的代MEC-12A多功能微机电化学分析仪。20世纪80年代及90年代，我国的研究者在电分析化学理论和实验方法及测试技术方面也进行了深入研究，我国的电化学仪器技术进一步发展，在专用和常用仪器方面，出现了一批我国自主生产的仪器，90年代末期，以中国科学院长春应用化学研究所为主研制出的全面综合通用型ECS 2000电化学测试系统，标志着我国已经全面掌握了电化学仪器技术。在进入21世纪以后，尤其是近几年，随着嵌入式电子技术的发展和分布式检测需求的增加，电化学分析仪器在向着微型化、网络化的方向发展，无线通信方式迅速发展，并在某些场合取得了应用。

中华人民共和国科学技术部一直十分重视科学仪器研制与开发工作。“九五”和“十五”期间都将“科学仪器研制与开发”列为国家科技攻关计划的重要组成部分，在我国科研工作者及仪器厂商的努力下攻克了一批共性关键技术，取得上百项具有自主创新性的科学仪器产品，带动了我国相关仪器设备的发展，一些量大面广的分析仪器国内市场占有率从13%提高到了50%，但在高端分析仪器方面与国际先进仪器还具有一定差距，导致一些重点领域科学研究进度缓慢。

科学仪器设备是科学技术发展的基石，也是支撑我国经济社会发展和国防安全的重要手段，本书以笔者实验室多年从事分析仪器研发为例，从电化学发展历史、电化学分析方法、硬件电路实现、配套软件设计等多角度阐述了自行研发的电化学工作站、扫描电化学显微镜、表面等离子体共振仪、石英晶体微天平等仪器。本书适合电化学分析工作者、电化学分析仪器研发人员阅读，也可作为高等院校相关专业教师、研究生以及高年级本科生的参考书。

由于笔者水平有限，误漏在所难免，恳请读者批评指正。

牛利     

2021年2月